不用连接器给电池充电 —— 轻松搞定

引言

很多产品都用电池作为主电源。当然，我们都知道那些名字以字母“i”开头、有水果标识的产品。然而，还有大量不那么光鲜亮丽、但所提供的应用同样很有价值的产品，它们也使用电池。我在谈论的是便携式医疗设备、工业传感器甚至旋转型或移动型设备。与和缓的消费者环境不同，这类应用具有更加严格的要求，例如需要消毒，甚至周围环境可能引起爆炸，在炼油厂和化学处理设施中，就常见到这类环境。

在很多这类应用中，充电时难以或不能使用连接器。例如，有些产品需要密封罩，以保护敏感电子组件免受恶劣环境影响。还有一些产品也许只是太小，无法容纳连接器。如果电池供电产品使用时涉及移动或旋转动作，那就几乎不可能用导线充电。

那么，还有哪些方法可用来应对这类环境? 一种显然的方法是，去掉连接器并提供无线充电。在这类不能使用连接器的应用中，无线充电解决方案增加了价值、可靠性和坚固性。

无线功率传输

在这些不能使用连接器的情况下，如果无线充电是一种好的解决方案，那么什么是无线充电? 怎样实现无线充电? 一种简单直接的定义也许是：无线充电不使用人造导体，从电源向用电负载传输电能。

然而，这往往有点儿过于简化了，无法显示无线充电过程面临的挑战。因此，在继续探讨应对挑战所受限制和应对方法之前，我想更深入地解释一下。那么，让我们从基础知识开始：通过导体 (例如导线) 流动的电流携带电能。电流经过电路 (或导线时)，在导体周围存在磁场。

在交流电流流过的电路中，导线附近存在一个随时间变化的磁场。如果在这个随时间变化的磁场中放置一块导体，那么就会引起电流。

在电子系统中，一种常见的现象是电瞬态，例如来自外部的雷击或电容器放电，电容器放电有可能是一种内部的重复干扰，例如点火系统的冷凝器放电。

磁场密度与导体中流过的电流之幅度成正比。通过上述定义的磁耦合，能量从产生磁场的导体 (主端) 传送给受该磁场影响的任何导体 (副端)。在松耦合系统中，耦合系数很小，高频电流不能沿导体传送很长距离，会由于沿电缆的阻抗失配而快速失去能量，这使得能量被反射回最初的来源，或辐射到空气中。参见图 1，该图显示了通过磁场连接的松耦合绕组。应该特别提到的是，这个图还显示，该电路使用了 LTC4120，本文稍后将更详细地讨论这款器件。

图 1：从主端发送线圈 (Tx) 向副端接收线圈 (Rx) 传送无线功率，副端包括 LTC4120

用无线功率给电池充电

设计无线功率充电系统时，关键参数是实际上用来给电池增加能量之充电功率的大小。这一接收功率取决于很多因素，包括所传输功率的大小、发送线圈和接收线圈之间的距离和对准度 (又称为线圈之间的耦合) 以及发送和接收组件的容限。

任何无线功率充电设计的主要目标都是，在最差的功率传送条件下，确保提供所需功率。然而，同样重要的是，在最好的条件下，避免热压力和电气压力过大。在输出功率要求很低时，这一点尤其重要。例如，在电池满充电或接近满充电且线圈相互靠近时。在这种情况下，无线系统提供的可用功率很大，但是所需功率很小。一般情况下，这种多余的功率会导致很高的整流电压，或者需要以热量形式消耗这些多余的功率。

在所需接收器功率很小时，有几种方法应对多余功率问题。可以用功率齐纳二极管或瞬态电压抑制器箝位整流电压。然而，这种解决方案尺寸一般很大，产生相当大的热量。可以降低发送器功率，但是这么做或者会限制可用接收功率，或者会缩短发送距离。也可以将所接收的功率送回发送器，并相应调节发送功率。无线充电联盟 (Wireless Power Consortium) Qi 标准等无线功率充电标准采用的就是这种方法。不过，还可以用一种紧凑和高效的解决方案来解决这个问题，而无需求助于复杂的数字通信技术。通过在发送功率的微小变化通信的方法要求一个最少量的功率传输，并可能无法用于发送距离可变的系统。[!--empirenews.page--]

一款易于使用、适合无线充电的 IC

为了实现这些目标，凌力尔特的 LTC4120 无线功率接收器和电池充电器集成了 PowerbyProxi 公司开发的技术，该公司是凌力尔特的技术合作伙伴。PowerbyProxi 获得专利的动态协调控制 (Dynamic Harmonization Control - DHC) 技术实现了高效率非接触式充电，不会产生接收器热压力或电气压力过大的问题。运用这种技术，可以在长达 1.2cm 的距离上传送高达 2W 的功率。不过，就单节锂离子电池而言，4.2V 最高充电电压和 400mA 最大充电电流将使这一功率值限制到 1.7W。类似地，2W 最大功率将使两节锂离子电池 (8.4V 最高充电电压) 的充电电流限制到 240mA。

功率、效率、范围和尺寸这些参数决定了系统性能，因此基于 LTC4120 的无线功率系统被设计为，与几种可选发送器之一使用时，通过长达 1.2cm 的距离，在电池端接收高达 2W 功率。所用方法和组件不同，效率计算会有很大不同。一般情况下，在基于 LTC4120 的系统中，对于馈送到发送器的 DC 输入功率，电池将接收其 45% 至 55%。

与其他无线功率充电解决方案相比，嵌入到 LTC4120 中的 PowerbyProxi 的 DHC 微调技术带来了显著优势。为了响应环境和负载变化，DHC 动态地改变接收器上谐振电路的谐振频率。DHC 实现了更高的功率传送效率、更小的接收器尺寸，该技术甚至允许更大的传输范围。与其他无线功率传送技术不同，DHC 将功率级管理作为感应电场管理的一部分，实现了内在功率级管理，从而在电池充电周期中，无需单独的通信通道来证实接收器的存在或管理负载需求变化。

显然，DHC 解决了所有无线功率系统的基本问题。每个系统都必须设计为，在给定最大发送距离上，接收一定量的功率。每个系统还必须设计为，在最短发送距离时，可承受无负载情况而不会损坏。其他同类解决方案用复杂的数字通信系统解决这一问题，提高了复杂性和成本，限制了功率传输距离。基于 LTC4120 的无线功率充电系统通过采用 PowerbyProxi 的 DHC 技术就可轻松地解决这一问题。

图 2：LTC4120 应用原理图，说明了一个完整的无线电池充电电路

凌力尔特与 PowerbyProxi 的合作

PowerbyProxi 自 2007 年以来，一直致力于为工业客户提供无线功率充电解决方案。该公司没有大量投资开展市场营销，而是选择自己开发和改进技术，然后与凌力尔特等业界领导者合作，向市场提供其技术和产品。该公司取得了巨大成功，拥有丰富的产品和技术，值得称道。现在，PowerbyProxi 作为领先无线功率充电产品公司，已经获得了全球认可。

凌力尔特与 PowerbyProxi 合作的关键原因之一是，该公司拥有大量知识产权和解决方案设计经验，可为客户提供业内领先的技术，还可确保其技术得到知识产权的全面支持。 PowerbyProxi 有超过 30 项专利处于申请中，还有很多处于审查和备案阶段，因此成为无线功率领域的领先创新公司和知识产权领导者。

结论

在给这种“i”开头的产品或那种“机器人”进行无线充电的大众消费市场以外，还有一类便携式工业和医疗产品市场，在这类产品中，通过长达 1cm 左右的空气隙或非铁氧体材料给这类产品内部的电池无线充电是“必须具有”的要求。直到现在，设计工程师的选择一直有限，这妨碍了最终产品的成功和可行性。幸运的是，凌力尔特最近推出了 LTC4120，因此情况将彻底改变。这一高度集成的 IC 可以无线接收从一个相距 1.2cm 的线圈发送的功率，并给电池充电，因此提供了一种简单有效的解决方案。它是轻松搞定无线充电的典型 ── 无需连接器![!--empirenews.page--]